專利名稱：激光掃描儀和紅外熱像儀測(cè)量煤矸石山表面溫度場(chǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非接觸式測(cè)量和環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及激光掃描儀和紅外熱像儀測(cè)量煤矸石山表面溫度場(chǎng)方法。
背景技術(shù)：
自燃煤矸石山對(duì)環(huán)境的危害和存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)很大，因此，自燃煤矸石山的治理已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。對(duì)自燃矸石山的治理關(guān)鍵是探明高溫區(qū)和著火點(diǎn)，以便采取相應(yīng)的滅火和阻燃應(yīng)對(duì)措施，達(dá)到治理的目的。國(guó)內(nèi)外對(duì)煤矸石山的研究表明燃燒的主要表征參數(shù)是溫度，因此，利用溫度探測(cè)確定著火點(diǎn)的位置是可行的，所以，煤矸石山表面和深部溫度場(chǎng)的探測(cè)就成為自燃煤矸石山治理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
紅外測(cè)溫屬于非接觸測(cè)溫的一種方法，通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量來(lái)測(cè)定其表面溫度，在生產(chǎn)加工、電力、醫(yī)學(xué)、消防等方面都有廣泛的應(yīng)用，也極大促進(jìn)了紅外熱像儀的發(fā)展；從紅外熱像儀的原理來(lái)看，用其測(cè)量煤矸石山表面溫度信息是可行的，但是無(wú)法獲取空間坐標(biāo)信息，即無(wú)法確定各溫度點(diǎn)的空間位置。煤矸石山表面溫度場(chǎng)測(cè)量的難題在于I)煤矸石山地形的測(cè)量尤其是燃燒、陡峭等難以到達(dá)區(qū)域的空間信息的獲取。2)煤矸石山危險(xiǎn)區(qū)域溫度信息全面快速的獲取。3)空間坐標(biāo)信息與溫度信息的疊加。本申請(qǐng)人已提出了基于全站儀和紅外熱像儀的煤矸石山表面溫度場(chǎng)測(cè)量方法(ZL201110005011. X)，于2012年7月4號(hào)授權(quán)，其中各溫度點(diǎn)的空間位置采用全站儀獲取，并需要測(cè)量所有標(biāo)志點(diǎn)；2012年8月8日公開的一種具有空間基準(zhǔn)的矸石山表面溫度場(chǎng)的快速構(gòu)建方法(申請(qǐng)?zhí)朇N201210120593. 6)中，采用GPS RTK技術(shù)采集控制點(diǎn)坐標(biāo)，并需要在矸石山上布設(shè)能夠控制整座矸石山并能夠反映矸石山的地貌變化特征的控制點(diǎn)，其實(shí)施例中布設(shè)了二十個(gè)控制點(diǎn)。三維激光掃描儀采用非接觸式高速激光測(cè)量的方法，以點(diǎn)云形式表現(xiàn)目標(biāo)物體表面的幾何特征。儀器自身發(fā)射激光束到旋轉(zhuǎn)式鏡頭中心，鏡頭通過(guò)快速而有序地旋轉(zhuǎn)將激光依次掃過(guò)被測(cè)區(qū)域，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀，內(nèi)部微電腦通過(guò)計(jì)算光束的飛行時(shí)間從而計(jì)算出激光光斑與掃描儀兩者之間的距離。與此同時(shí)，儀器通過(guò)內(nèi)置角度測(cè)量系統(tǒng)來(lái)量測(cè)每一激光束的水平角與豎直角，進(jìn)而獲得每一個(gè)掃描點(diǎn)在掃描儀所定義坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的空間坐標(biāo)信息。優(yōu)勢(shì)是數(shù)據(jù)獲取速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)；數(shù)據(jù)獲取全面，精度高；全天候作業(yè)。不受光線的影響，主動(dòng)性強(qiáng)。目前已廣泛應(yīng)用于地形測(cè)繪、變形監(jiān)測(cè)、文物保護(hù)等方面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決煤矸石山地形的測(cè)量尤其是燃燒、陡峭等難以到達(dá)區(qū)域的空間信息與溫度信息的快速獲得，提出一種激光掃描儀和紅外熱像儀測(cè)量煤矸石山表面溫度場(chǎng)方法，旨在將帶有空間坐標(biāo)信息的三維激光掃描數(shù)據(jù)和同一區(qū)域帶有溫度信息的熱紅外圖像進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)煤矸石表面任意點(diǎn)空間位置及溫度的快速測(cè)量，為自燃煤矸石山的治理提供基礎(chǔ)支撐。本發(fā)明激光掃描儀和紅外熱像儀測(cè)量煤矸石山表面溫度場(chǎng)方法，其特征在于，包括以下步驟I)煤矸石山熱紅外拍攝區(qū)域劃分和標(biāo)志點(diǎn)布設(shè)對(duì)煤矸石山進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，確定煤矸石山表面面積和地形特點(diǎn)，布設(shè)拍攝機(jī)位；根據(jù)紅外熱像儀的像素值、分辨率和拍攝機(jī)位與煤矸石山的距離，將煤矸石劃分為若干個(gè)熱紅外拍攝區(qū)域，每個(gè)拍攝區(qū)域?qū)?yīng)紅外熱像儀的一幅圖像，由此計(jì)算出煤矸石山拍攝區(qū)域數(shù)和熱紅外成像的圖像數(shù)，各圖像邊緣保證5 —10%的重疊率。在每個(gè)熱紅外拍攝區(qū)域布設(shè)4個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，且各標(biāo)志點(diǎn)在相鄰熱紅外拍攝區(qū)域所對(duì)應(yīng)的圖像重疊區(qū)域內(nèi)，用于熱紅外圖像的拼接；2)激光掃描儀掃描站布設(shè)根據(jù)煤矸石山表面地形特征及周邊的地形地貌特點(diǎn)，結(jié)合激光掃描儀的掃描距離布設(shè)掃描站，劃分煤砰石山掃描區(qū)域，使得各掃描區(qū)域間不留空隙；3)圖根控制點(diǎn)布設(shè)在激光掃描儀掃描站附近布設(shè)一個(gè)圖根控制點(diǎn)，采用全站儀與已知控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)獲取圖根控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息(xs，Ys，ζκ)；4)實(shí)地拍攝與測(cè)量用紅外熱像儀在拍攝機(jī)位對(duì)劃分好的拍攝區(qū)域逐一拍攝熱紅外圖像；在布設(shè)的掃描站上架設(shè)三維激光掃描儀獲取煤矸石山表面數(shù)據(jù)；采用全站儀與圖根控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)獲取掃描站的空間坐標(biāo)信息(xs，Yfi, Zfi)；5)激光掃描數(shù)據(jù)處理根據(jù)掃描站的空間坐標(biāo)信息(X 3，Y i3，Z 3)將對(duì)應(yīng)掃描站獲取的掃描數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行拼接，得到煤矸石山的地形數(shù)據(jù)，即煤矸石山表面任意一點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息(xs，Yffi, Zffi)；6)熱紅外圖像數(shù)據(jù)處理利用相鄰熱紅外圖像重疊區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行圖像拼接；獲得一幅包含整個(gè)煤矸石山任意一點(diǎn)溫度信息(t)的熱紅外圖像；通過(guò)煤矸石山的地形數(shù)據(jù)提取4-6個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的平面坐標(biāo)信息(X^ Yfe);根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)的平面坐標(biāo)信息對(duì)熱紅外圖像進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得一幅包含整個(gè)煤矸石山任意一點(diǎn)平面坐標(biāo)信息(Xa，Ya)和溫度信息(t)的熱紅外圖像；7 )煤矸石山地形數(shù)據(jù)與熱紅外圖像疊加通過(guò)平面坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系將處理后的煤矸石山地形數(shù)據(jù)與熱紅外圖像進(jìn)行疊加，即可得到煤矸石山的表面溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)；從該表面溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)可得到煤矸石山表面任意一點(diǎn)的溫度信息⑴和空間坐標(biāo)信息《@，￥@2^)。本發(fā)明主要具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)I)野外工作量小。相對(duì)于米用全站儀和GPS RTK獲取煤石干石山表面空間坐標(biāo)信息來(lái)說(shuō)，采用三維激光掃描儀不用在煤矸石山上布設(shè)控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量，減少了野外工作量；2)采用三維激光掃描儀技術(shù)可避免在燃燒、陡峭等難以到達(dá)區(qū)域布設(shè)控制點(diǎn)，提高了空間數(shù)據(jù)獲取的安全性。


圖I為本發(fā)明方法流程圖。圖2紅外熱像儀拍攝機(jī)位布設(shè)及煤矸石山表面拍攝區(qū)域的示意圖。圖3熱紅外圖像標(biāo)志點(diǎn)布設(shè)的示意圖。圖4三維激光掃描儀掃描站布設(shè)及煤矸石山掃描區(qū)域劃分的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的一種激光掃描儀和紅外熱像儀測(cè)量煤矸石山表面溫度場(chǎng)方法，結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下本發(fā)明提出的一種激光掃描儀和紅外熱像儀測(cè)量煤矸石山表面溫度場(chǎng)方法，如圖I所示，包括以下步驟I)煤矸石山熱紅外拍攝區(qū)域劃分和標(biāo)志點(diǎn)布設(shè)對(duì)煤矸石山進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，確定·煤矸石山表面面積和地形特點(diǎn)，布設(shè)拍攝機(jī)位；根據(jù)紅外熱像儀的像素值、分辨率和拍攝機(jī)位與煤矸石山的距離，將煤矸石劃分為若干個(gè)熱紅外拍攝區(qū)域，每個(gè)拍攝區(qū)域?qū)?yīng)紅外熱像儀的一幅圖像，由此計(jì)算出煤矸石山拍攝區(qū)域數(shù)和熱紅外成像的圖像數(shù)，各圖像邊緣保證5-10%的重疊率。在每個(gè)熱紅外拍攝區(qū)域布設(shè)4個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，且各標(biāo)志點(diǎn)在相鄰熱紅外拍攝區(qū)域所對(duì)應(yīng)的圖像重疊區(qū)域內(nèi)，用于熱紅外圖像的拼接；本實(shí)施例中采用DL-700C紅外熱像儀，分辨率I. 3mrad，像素320 X 240，如圖2所示，根據(jù)煤矸石山21的特點(diǎn)，布設(shè)拍攝機(jī)位22，由分辨率X (拍攝機(jī)位22與煤矸石山21的距離)X像素，得到一幅紅外熱像儀圖像23可以拍攝的區(qū)域大小，劃分煤矸石山的熱紅外拍攝區(qū)域24。由于要求圖像邊緣有5-10%的重疊率，煤矸石山的熱紅外拍攝區(qū)域略小于紅外熱像儀圖像實(shí)際拍攝區(qū)域5-10%。如圖3所示，在圖像23的重疊區(qū)域所對(duì)應(yīng)的煤矸石山拍攝區(qū)域布設(shè)標(biāo)志點(diǎn)31、32 ；2)激光掃描儀掃描站布設(shè)根據(jù)煤矸石山表面地形特征及周邊的地形地貌特點(diǎn)，結(jié)合激光掃描儀的掃描距離布設(shè)掃描站，劃分煤砰石山掃描區(qū)域，使得各掃描區(qū)域間不留空隙；如圖4所示，根據(jù)煤矸石山21的地形特征和三維激光掃描儀的掃描距離形成的掃描范圍，布設(shè)掃描站41,劃分煤砰石山掃描區(qū)域42。3)圖根控制點(diǎn)布設(shè)在激光掃描儀掃描站附近布設(shè)一個(gè)圖根控制點(diǎn)，采用全站儀與已知控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)獲取圖根控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息(xs，Ys，ζκ)；4)實(shí)地拍攝與測(cè)量用紅外熱像儀在拍攝機(jī)位對(duì)劃分好的拍攝區(qū)域逐一拍攝熱紅外圖像；在布設(shè)的掃描站上架設(shè)三維激光掃描儀獲取煤矸石山表面數(shù)據(jù)；采用全站儀與圖根控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)獲取掃描站的空間坐標(biāo)信息(Xs，Ys，Zs);如圖2所示，在拍攝機(jī)位21，用紅外熱像儀對(duì)劃分好的拍攝區(qū)域23逐一拍攝。如圖4所示，在掃描站41架設(shè)三維激光掃描儀，對(duì)掃描區(qū)域42進(jìn)行掃描。采用全站儀與圖根控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)獲取掃描站41的空間坐標(biāo)信
(X 掃，Y 掃，Z 掃)。5)激光掃描數(shù)據(jù)處理根據(jù)掃描站的空間坐標(biāo)信息(Xs, Y掃’Z掃)將對(duì)應(yīng)掃描站獲取的掃描數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行拼接，得到煤矸石山的地形數(shù)據(jù)，即煤矸石山表面任意一點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息(XS，YS，Zs);如圖4所示，利用掃描站41的空間坐標(biāo)信息(Xf3，YS，ZS)可獲取對(duì)應(yīng)掃描站的掃描區(qū)域任意一點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息，拼接后即可獲取煤矸石任意一點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息(Xg，Yg，Zm)；6)熱紅外圖像數(shù)據(jù)處理利用相鄰熱紅外圖像重疊區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行圖像拼接；獲得一幅包含整個(gè)煤矸石山任意一點(diǎn)溫度信息(t)的熱紅外圖像；通過(guò)煤矸石山的地形數(shù)據(jù)提取4-6個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的平面坐標(biāo)信息(X^ Yfe);根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)的平面坐標(biāo)信息對(duì)熱紅外圖像進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得一幅包含整個(gè)煤矸石山任意一點(diǎn)平面坐標(biāo)信息(Xa，Ya)和溫度信息(t)的熱紅外圖像；如圖3所示，利用熱紅外相鄰像幅23共用的標(biāo)志點(diǎn)31，將相鄰像幅逐一拼接；7)煤矸石山地形數(shù)據(jù)與熱紅外圖像疊加通過(guò)平面坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系將處理后的煤矸石山地形數(shù)據(jù)與熱紅外圖像進(jìn)行疊加，即可得到煤矸石山的表面溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)；從該表面溫 度場(chǎng)數(shù)據(jù)可得到煤矸石山表面任意一點(diǎn)的溫度信息⑴和空間坐標(biāo)信息《@，￥@2^)。
權(quán)利要求
1. 一種激光掃描儀和紅外熱像儀測(cè)量煤矸石山表面溫度場(chǎng)方法，其特征在于，包括以下步驟 1)煤矸石山熱紅外拍攝區(qū)域劃分和標(biāo)志點(diǎn)布設(shè)對(duì)煤矸石山進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，確定煤矸石山表面面積和地形特點(diǎn)，布設(shè)拍攝機(jī)位；根據(jù)紅外熱像儀的像素值、分辨率和拍攝機(jī)位與煤矸石山的距離，將煤矸石劃分為若干個(gè)熱紅外拍攝區(qū)域，每個(gè)拍攝區(qū)域?qū)?yīng)紅外熱像儀的一幅圖像，由此計(jì)算出煤矸石山拍攝區(qū)域數(shù)和熱紅外成像的圖像數(shù)，各圖像邊緣保證5—10%的重疊率。在每個(gè)熱紅外拍攝區(qū)域布設(shè)4個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，且各標(biāo)志點(diǎn)在相鄰熱紅外拍攝區(qū)域所對(duì)應(yīng)的圖像重疊區(qū)域內(nèi)，用于熱紅外圖像的拼接； 2)激光掃描儀掃描站布設(shè)根據(jù)煤矸石山表面地形特征及周邊的地形地貌特點(diǎn)，結(jié)合激光掃描儀的掃描距離布設(shè)掃描站，劃分煤矸石山掃描區(qū)域，使得各掃描區(qū)域間不留空隙； 3)圖根控制點(diǎn)布設(shè)在激光掃描儀掃描站附近布設(shè)一個(gè)圖根控制點(diǎn)，采用全站儀與已知控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)獲取圖根控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息(Xs，Ys，Ζκ)； 4)實(shí)地拍攝與測(cè)量用紅外熱像儀在拍攝機(jī)位對(duì)劃分好的拍攝區(qū)域逐一拍攝熱紅外圖像；在布設(shè)的掃描站上架設(shè)三維激光掃描儀獲取煤矸石山表面數(shù)據(jù)；采用全站儀與圖根控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)獲取掃描站的空間坐標(biāo)信息(Xs，Yfi, Zfi)； 5)激光掃描數(shù)據(jù)處理根據(jù)掃描站的空間坐標(biāo)信息(Xi3，Y掃,Z掃)將對(duì)應(yīng)掃描站獲取的掃描數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行拼接，得到煤矸石山的地形數(shù)據(jù)，即煤矸石山表面任意一點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息(X；k，Yffi, Z煤)； 6)熱紅外圖像數(shù)據(jù)處理利用相鄰熱紅外圖像重疊區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行圖像拼接；獲得一幅包含整個(gè)煤矸石山任意一點(diǎn)溫度信息(t)的熱紅外圖像；通過(guò)煤矸石山的地形數(shù)據(jù)提取4-6個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的平面坐標(biāo)信息(XpYis);根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)的平面坐標(biāo)信息對(duì)熱紅外圖像進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得一幅包含整個(gè)煤矸石山任意一點(diǎn)平面坐標(biāo)信息(Xa，Ya)和溫度信息(t)的熱紅外圖像； .7 )煤矸石山地形數(shù)據(jù)與熱紅外圖像疊加通過(guò)平面坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系將處理后的煤矸石山地形數(shù)據(jù)與熱紅外圖像進(jìn)行疊加，即可得到煤矸石山的表面溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)；從該表面溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)可得到煤矸石山表面任意一點(diǎn)的溫度信息(t)和空間坐標(biāo)信息《@，￥@2^)。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光掃描儀和紅外熱像儀測(cè)量煤矸石山表面溫度場(chǎng)方法，屬于非接觸式測(cè)量技術(shù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，該方法包括將煤矸石劃分為若干拍攝區(qū)域，每個(gè)拍攝區(qū)域?qū)?yīng)紅外熱像儀的一幅圖像，在每個(gè)拍攝區(qū)域布設(shè)4個(gè)標(biāo)志點(diǎn),要求標(biāo)志點(diǎn)位于相鄰圖像重疊區(qū)域內(nèi)；布設(shè)掃描基站，并建立1個(gè)圖根控制點(diǎn)；用紅外熱像儀拍攝煤矸石山表面溫度的熱紅外圖像；用三維激光掃描儀獲取煤矸石山地形數(shù)據(jù)，用全站儀獲取圖根控制點(diǎn)和掃描站空間坐標(biāo)信息。通過(guò)對(duì)獲取的圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、疊加，得到煤矸石山的表面溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)；從該表面溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)獲得煤矸石山表面任意一點(diǎn)的溫度信息和空間坐標(biāo)信息。
文檔編號(hào)G01J5/00GK102878983SQ201210430059
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者胡振琪, 趙艷玲, 宋輝 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)